Формообразование внеосевых асферических оптических элементов в едином блоке
ТЕХНОЛОГИЯ ФОРМООБРАЗОВАНИЯ
УКД 681.7.023.73
ФОРМООБРАЗОВАНИЕ ВНЕОСЕВЫХ АСФЕРИЧЕСКИХ ОПТИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ В ЕДИНОМ БЛОКЕ
© 2011 г. Н. П. Ларионов, канд. техн. наук; А. В. Лукин, доктор техн. наук; А. Г. Хуснутдинов Научно-производственное объединение “Государственный институт прикладной оптики”, Казань E-mail: npogipo@tnpko.ru
Представлены созданные в научно-производственном объединении “Государственный институт прикладной оптики”, в том числе в последние годы, методы и средства изготовления и контроля внеосевых асферических оптических элементов. Эти методы нашли применение в мелкосерийном оптическом производстве таких деталей.
Ключевые слова: внеосевые асферические оптические элементы, жесткий полноразмерный прецизионный инструмент, притир, шаржирование, интерферограмма, синтезированная голограмма.
Коды OCIS: 220.1250, 220.4610
Поступила в редакцию 14.12.2010
Известны способы формообразования рабочих поверхностей внеосевых асферических элементов [1–3], основанные на использовании программируемого и управляемого с помощью вычислительного устройства перемещения инструмента относительно неподвижной обрабатываемой заготовки. При этом применяется инструмент существенно меньшего размера, чем диаметр изготавливаемой детали, и обработка ведется на весьма ограниченном участке поверхности. Это приводит к снижению как производительности, так и точности изготовления оптического элемента.
Известно также получение внеосевых элементов путем вырезки их из предварительно изготовленных осесимметричных асферических деталей [4]. При изготовлении таких деталей используются точные сферические заготовки. Такой метод является весьма затратным, так как приводит к необходимости удаления большого объема стекла как по диаметру, так и по толщине детали.
В связи с ростом потребностей во внеосевой асферике целесообразны поиск и разработка новых высокопроизводительных методов формообразования таких поверхностей. В данной статье рассматривается один из таких методов. Суть его заключается в изготовлении внеосевых
асферических оптических деталей в едином блоке из шлифованных заготовок. Эти заготовки (позиция 1 на рис. 1–3) размещены в углублениях наклеечника 2. Они могут быть плоскопараллельными или плоско-вогнутыми (рис. 1), а также иметь форму цилиндра, усеченного под углом к его основанию (рис. 2). Заготовки 1 приклеены к наклеечнику 2 по плоскости их основания посредством наклеечных прокладок 3, а по цилиндрическому периметру – слоем наклеечной смолы 4. Фиксация обрабатываемых
y = f(x)
x ϕ
0
12 3
4
y 5 67 8
Рис. 1. Предварительное шлифование профильным алмазированным инструментом плоскопараллельных и плоско-вогнутых заготовок на станке “Старт-200”.
12 “Оптический журнал”, 78, 4, 2011
заготовок 1 относительно оси вращения 5 наклеечника 2 выполнена с помощью центрирующего пояска 8 высотой 4–5 мм. Для крепления заготовок 1 к наклеечнику 2 по основанию применяют для каждой заготовки по три прокладки 3 с одинаковым диаметром и толщиной.
При изготовлении внеосевых элементов выполняется следующая технологическая цепочка. Сначала наклеечник 2 с заготовками 1 крепится на шпинделе станка типа Старт-200 [4]. На этом станке устанавливается профильный алмазированный инструмент 6 [5], ось вращения 7 которого располагается под углом ϕ к оси вращения 5 обрабатываемых заготовок 1 в едином блоке. Угол ϕ принимают равным половине угла конуса, ближайшего к обрабатываемой поверхности. После этого проводится шлифование – этап предварительного формообразования заданной асферической поверхности (АП). На этом этапе снимается большая часть припуска заготовки. При шлифова-
y = f(x)
x ϕ
0
12 3 4
y 5 6 78
Рис. 2. Предварительное шлифование профильным алмазированным инструментом заготовок в виде усеченного цилиндра на станке “Старт-200”.
y = f(x)
x
12 3
4
y
56
78
Рис. 3. Тонкое шлифование и доводочное полирование полноразмерным жестким инструментом на станке “Планета-250 ”.
нии блоку обрабатываемых заготовок 2 кроме вращательного движения вокруг оси 5 по мере съема припуска периодически сообщают также и подачу вдоль этой оси. Шлифование выполняется до получения требуемой толщины обрабатываемых заготовок по центру. На этом этапе осуществляется несколько циклов шлифования (три или четыре) с использованием алмазных инструментов с уменьшающейся зернистостью.
Далее проводится тонкая шлифовка на станке типа “Планета-250” с использованием жесткого полноразмерного прецизионного инструмента (ППИ), который изготавливается либо на импортном станке с числовым программным управлением типа MAHO, либо на отечественном модернизированном станке алмазного точения типа МК 6502 (завод “Красный пролетарий”) [6]. При тонкой шлифовке внеосевых деталей дальнейший съем припуска осуществляется свободным абразивом с переходом от микропорошка М40 до М7. Продолжительность этого этапа формообразования АП в зависимости от ее асферичности и крутизны составляет от десятков минут до нескольких часов. Затем с помощью полноразмерного полировальника проводится “просветление” АП, а затем процесс доводочного полирования с ручной ретушью, который длится от нескольких часов до нескольких смен, в зависимости от сложности АП и требуемой точности изготовления.
Следует отметить, что технология формообразования АП жестким ППИ разрабатывается в научно-производственном объединении “Государственный институт прикладной оптики” (ГИПО) с 1999 г. на смену технологии формообразования упругим полноразмерным инструментом [4]. В данном случае ППИ выполняет функцию притира. При этом весьма полезным сопутствующим фактором при использовании свободного абразива является естественное шаржирование рабочей поверхности ППИ, что существенно повышает его износоустойчивость. Наибольший световой диаметр АП, изготовленной методом жесткого ППИ, составляет 600 мм. Важно, что себестоимость (расчет и изготовление) жесткого ППИ многократно ниже, чем соответствующего упругого инструмента, а функциональные возможности существенно выше. В настоящее время продолжаются работы в направлении как подбора наилучших материалов и защитных покрытий ППИ, так и оптимизации технологических режимов формообразования АП.
“Оптический журнал”, 78, 4, 2011
13
Интерферометрический контроль формы полируемых рабочих поверхностей внеосевых асферических деталей в едином блоке выполняется на голографическом асферометре типа АГ-2 с использованием круговой синтезированной голограммы в качестве оптического компенсатора и юстировочных голограмм, изготовленных соосно с основной голограммой-компенсатором на общей подложке [7].
Описанный выше метод шлифования и полирования внеосевых асферических оптических деталей в едином блоке используется в ГИПО при мелкосерийном производстве внеосевых параболических зеркал с уравнением базовой
параболической поверхности у2 = 2587,89х. Световой диаметр этих зеркал и их внеосевой параметр [8] равны, соответственно, 100 и 80,8 мм. В данном случае в едином блоке обрабатываются четыре внеосевых зеркала из ситалла СО115М.
На рис. 4, 5 представлены интерферограммы для одного из изготовленных комплектов четырех внеосевых параболических зеркал на различных стадиях их формообразования в едином блоке. На рис. 5 видно, что характер интерференционных полос на апертурах внеосевых зеркал зависит от того, параллельны они или перпендикулярны к меридиональной плоскости
(а) (б)
Рис. 4. Интерферограммы блока из четырех вогнутых внеосевых параболических элементов (настройка на полосы бесконечной ширины). а – начальная стадия полирования, б – промежуточная стадия полирования.
(а) (б)
Рис. 5. Интерферограммы блока из четырех вогнутых внеосевых параболических элементов на конечной стадии формообразования (настройка на полосы конечной ширины). а – интерференционные полосы перпендикулярны к меридиональной плоскости базовой параболической поверхности, б – параллельны ей. 14 “Оптический журнал”, 78, 4, 2011
Параметры внеосевых параболических элементов
Номер элемента
Параметры
σ параболической поверхности, мкм
параболической
поверхности
элемента
отклонение фокусного расстояния, %
по чертежу фактически по чертежу фактически
1 0,1 0,08 ± 0,5 + 0,2
2 0,1 0,07 ± 0,5 + 0,2
3 0,1 0,08 ± 0,5 + 0,2
4 0,1 0,07 ± 0,5 + 0,2
базовой параболической поверхности, проходящей через ее вершину и центры апертур внеосевых зеркал. Расчет среднеквадратической ошибки (σ) по приведенным интерферограммам показывает, что ее значение, как правило, несколько больше для случая, когда интерференционные полосы параллельны указанной выше меридиональной плоскости. Она и принимается как фактическое значение среднеквадратической ошибки изготовления поверхности внеосевого зеркала.
В таблице приведены данные для контролируемых параметров всех четырех внеосевых параболических зеркал. Их нумерация идет по часовой стрелке слева вверх при рассмотрении рис. 4, 5. Из таблицы видно, что разброс среднеквадратических ошибок изготовления внеосевых параболических зеркал не превышает сотую долю микрометра, а их значение для каждого внеосевого зеркала меньше допустимого по чертежу.
Таким образом, представленный материал подтверждает целесообразность использования изложенной методики для серийного производства внеосевой асферической оптики.
ЛИТЕРАТУРА
1. Aspden R., McDonough R., Nitchie F.R. Computer Assisted Optical Surfacing // Appl. Opt. 1972. V. 11. № 12. P. 2739–2747.
2. Горшков В.А., Папаев А.Ю., Подобрянский А.В. Автоматизированное формообразование высокоточных асферических поверхностей // Оптический журнал. 2004. Т. 71. № 12. С. 5–10.
3. Михайлов В.В., Парака А.В., Чекаль В.Н., Чудаков Ю.И., Чухнин А.Я., Шевцов С.Е. Технология автоматизированного формообразования для производства оптических элементов // Оптический журнал. 2009. Т. 76. № 9. С. 82–86.
4. Кукс В.Г., Хуснутдинов А.Г. Получение асферических оптических поверхностей вращения в широком диапазоне технологических параметров // Оптический журнал. 2007. Т. 74. № 1. С. 36–43.
5. Хуснутдинов А.Г. Способ обработки оптических деталей с асферическими поверхностями // А. с. № 650789. Бюлл. изобр. 1979. № 9. С. 65.
6. Агачев А.Р., Грушин В.В., Ларионов Н.П., Лукин А.В., Нюшкин А.А., Ходжиев Р.Р., Чугунов Ю.П. Автоматизированный обрабатывающий комплекс для изготовления прецизионных оптических деталей с асферическими поверхностями второго и высших порядков // Оптический журнал. 2007. Т. 74. № 3. С. 19–20.
7. Агачев А.Р., Ларионов Н.П., Лукин А.В., Миронова Т.А., Нюшкин А.А., Протасевич Д.В., Рафиков Р.А. Синтезированная голограммная оптика // Оптический журнал. 2002. Т. 69. № 12. С. 23–32.
8. Ларионов Н.П., Лукин А.В. Голографический контроль внеосевых асферических зеркал // Оптический журнал. 2010. Т. 77. № 8. С. 35–41.
“Оптический журнал”, 78, 4, 2011
15
УКД 681.7.023.73
ФОРМООБРАЗОВАНИЕ ВНЕОСЕВЫХ АСФЕРИЧЕСКИХ ОПТИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ В ЕДИНОМ БЛОКЕ
© 2011 г. Н. П. Ларионов, канд. техн. наук; А. В. Лукин, доктор техн. наук; А. Г. Хуснутдинов Научно-производственное объединение “Государственный институт прикладной оптики”, Казань E-mail: npogipo@tnpko.ru
Представлены созданные в научно-производственном объединении “Государственный институт прикладной оптики”, в том числе в последние годы, методы и средства изготовления и контроля внеосевых асферических оптических элементов. Эти методы нашли применение в мелкосерийном оптическом производстве таких деталей.
Ключевые слова: внеосевые асферические оптические элементы, жесткий полноразмерный прецизионный инструмент, притир, шаржирование, интерферограмма, синтезированная голограмма.
Коды OCIS: 220.1250, 220.4610
Поступила в редакцию 14.12.2010
Известны способы формообразования рабочих поверхностей внеосевых асферических элементов [1–3], основанные на использовании программируемого и управляемого с помощью вычислительного устройства перемещения инструмента относительно неподвижной обрабатываемой заготовки. При этом применяется инструмент существенно меньшего размера, чем диаметр изготавливаемой детали, и обработка ведется на весьма ограниченном участке поверхности. Это приводит к снижению как производительности, так и точности изготовления оптического элемента.
Известно также получение внеосевых элементов путем вырезки их из предварительно изготовленных осесимметричных асферических деталей [4]. При изготовлении таких деталей используются точные сферические заготовки. Такой метод является весьма затратным, так как приводит к необходимости удаления большого объема стекла как по диаметру, так и по толщине детали.
В связи с ростом потребностей во внеосевой асферике целесообразны поиск и разработка новых высокопроизводительных методов формообразования таких поверхностей. В данной статье рассматривается один из таких методов. Суть его заключается в изготовлении внеосевых
асферических оптических деталей в едином блоке из шлифованных заготовок. Эти заготовки (позиция 1 на рис. 1–3) размещены в углублениях наклеечника 2. Они могут быть плоскопараллельными или плоско-вогнутыми (рис. 1), а также иметь форму цилиндра, усеченного под углом к его основанию (рис. 2). Заготовки 1 приклеены к наклеечнику 2 по плоскости их основания посредством наклеечных прокладок 3, а по цилиндрическому периметру – слоем наклеечной смолы 4. Фиксация обрабатываемых
y = f(x)
x ϕ
0
12 3
4
y 5 67 8
Рис. 1. Предварительное шлифование профильным алмазированным инструментом плоскопараллельных и плоско-вогнутых заготовок на станке “Старт-200”.
12 “Оптический журнал”, 78, 4, 2011
заготовок 1 относительно оси вращения 5 наклеечника 2 выполнена с помощью центрирующего пояска 8 высотой 4–5 мм. Для крепления заготовок 1 к наклеечнику 2 по основанию применяют для каждой заготовки по три прокладки 3 с одинаковым диаметром и толщиной.
При изготовлении внеосевых элементов выполняется следующая технологическая цепочка. Сначала наклеечник 2 с заготовками 1 крепится на шпинделе станка типа Старт-200 [4]. На этом станке устанавливается профильный алмазированный инструмент 6 [5], ось вращения 7 которого располагается под углом ϕ к оси вращения 5 обрабатываемых заготовок 1 в едином блоке. Угол ϕ принимают равным половине угла конуса, ближайшего к обрабатываемой поверхности. После этого проводится шлифование – этап предварительного формообразования заданной асферической поверхности (АП). На этом этапе снимается большая часть припуска заготовки. При шлифова-
y = f(x)
x ϕ
0
12 3 4
y 5 6 78
Рис. 2. Предварительное шлифование профильным алмазированным инструментом заготовок в виде усеченного цилиндра на станке “Старт-200”.
y = f(x)
x
12 3
4
y
56
78
Рис. 3. Тонкое шлифование и доводочное полирование полноразмерным жестким инструментом на станке “Планета-250 ”.
нии блоку обрабатываемых заготовок 2 кроме вращательного движения вокруг оси 5 по мере съема припуска периодически сообщают также и подачу вдоль этой оси. Шлифование выполняется до получения требуемой толщины обрабатываемых заготовок по центру. На этом этапе осуществляется несколько циклов шлифования (три или четыре) с использованием алмазных инструментов с уменьшающейся зернистостью.
Далее проводится тонкая шлифовка на станке типа “Планета-250” с использованием жесткого полноразмерного прецизионного инструмента (ППИ), который изготавливается либо на импортном станке с числовым программным управлением типа MAHO, либо на отечественном модернизированном станке алмазного точения типа МК 6502 (завод “Красный пролетарий”) [6]. При тонкой шлифовке внеосевых деталей дальнейший съем припуска осуществляется свободным абразивом с переходом от микропорошка М40 до М7. Продолжительность этого этапа формообразования АП в зависимости от ее асферичности и крутизны составляет от десятков минут до нескольких часов. Затем с помощью полноразмерного полировальника проводится “просветление” АП, а затем процесс доводочного полирования с ручной ретушью, который длится от нескольких часов до нескольких смен, в зависимости от сложности АП и требуемой точности изготовления.
Следует отметить, что технология формообразования АП жестким ППИ разрабатывается в научно-производственном объединении “Государственный институт прикладной оптики” (ГИПО) с 1999 г. на смену технологии формообразования упругим полноразмерным инструментом [4]. В данном случае ППИ выполняет функцию притира. При этом весьма полезным сопутствующим фактором при использовании свободного абразива является естественное шаржирование рабочей поверхности ППИ, что существенно повышает его износоустойчивость. Наибольший световой диаметр АП, изготовленной методом жесткого ППИ, составляет 600 мм. Важно, что себестоимость (расчет и изготовление) жесткого ППИ многократно ниже, чем соответствующего упругого инструмента, а функциональные возможности существенно выше. В настоящее время продолжаются работы в направлении как подбора наилучших материалов и защитных покрытий ППИ, так и оптимизации технологических режимов формообразования АП.
“Оптический журнал”, 78, 4, 2011
13
Интерферометрический контроль формы полируемых рабочих поверхностей внеосевых асферических деталей в едином блоке выполняется на голографическом асферометре типа АГ-2 с использованием круговой синтезированной голограммы в качестве оптического компенсатора и юстировочных голограмм, изготовленных соосно с основной голограммой-компенсатором на общей подложке [7].
Описанный выше метод шлифования и полирования внеосевых асферических оптических деталей в едином блоке используется в ГИПО при мелкосерийном производстве внеосевых параболических зеркал с уравнением базовой
параболической поверхности у2 = 2587,89х. Световой диаметр этих зеркал и их внеосевой параметр [8] равны, соответственно, 100 и 80,8 мм. В данном случае в едином блоке обрабатываются четыре внеосевых зеркала из ситалла СО115М.
На рис. 4, 5 представлены интерферограммы для одного из изготовленных комплектов четырех внеосевых параболических зеркал на различных стадиях их формообразования в едином блоке. На рис. 5 видно, что характер интерференционных полос на апертурах внеосевых зеркал зависит от того, параллельны они или перпендикулярны к меридиональной плоскости
(а) (б)
Рис. 4. Интерферограммы блока из четырех вогнутых внеосевых параболических элементов (настройка на полосы бесконечной ширины). а – начальная стадия полирования, б – промежуточная стадия полирования.
(а) (б)
Рис. 5. Интерферограммы блока из четырех вогнутых внеосевых параболических элементов на конечной стадии формообразования (настройка на полосы конечной ширины). а – интерференционные полосы перпендикулярны к меридиональной плоскости базовой параболической поверхности, б – параллельны ей. 14 “Оптический журнал”, 78, 4, 2011
Параметры внеосевых параболических элементов
Номер элемента
Параметры
σ параболической поверхности, мкм
параболической
поверхности
элемента
отклонение фокусного расстояния, %
по чертежу фактически по чертежу фактически
1 0,1 0,08 ± 0,5 + 0,2
2 0,1 0,07 ± 0,5 + 0,2
3 0,1 0,08 ± 0,5 + 0,2
4 0,1 0,07 ± 0,5 + 0,2
базовой параболической поверхности, проходящей через ее вершину и центры апертур внеосевых зеркал. Расчет среднеквадратической ошибки (σ) по приведенным интерферограммам показывает, что ее значение, как правило, несколько больше для случая, когда интерференционные полосы параллельны указанной выше меридиональной плоскости. Она и принимается как фактическое значение среднеквадратической ошибки изготовления поверхности внеосевого зеркала.
В таблице приведены данные для контролируемых параметров всех четырех внеосевых параболических зеркал. Их нумерация идет по часовой стрелке слева вверх при рассмотрении рис. 4, 5. Из таблицы видно, что разброс среднеквадратических ошибок изготовления внеосевых параболических зеркал не превышает сотую долю микрометра, а их значение для каждого внеосевого зеркала меньше допустимого по чертежу.
Таким образом, представленный материал подтверждает целесообразность использования изложенной методики для серийного производства внеосевой асферической оптики.
ЛИТЕРАТУРА
1. Aspden R., McDonough R., Nitchie F.R. Computer Assisted Optical Surfacing // Appl. Opt. 1972. V. 11. № 12. P. 2739–2747.
2. Горшков В.А., Папаев А.Ю., Подобрянский А.В. Автоматизированное формообразование высокоточных асферических поверхностей // Оптический журнал. 2004. Т. 71. № 12. С. 5–10.
3. Михайлов В.В., Парака А.В., Чекаль В.Н., Чудаков Ю.И., Чухнин А.Я., Шевцов С.Е. Технология автоматизированного формообразования для производства оптических элементов // Оптический журнал. 2009. Т. 76. № 9. С. 82–86.
4. Кукс В.Г., Хуснутдинов А.Г. Получение асферических оптических поверхностей вращения в широком диапазоне технологических параметров // Оптический журнал. 2007. Т. 74. № 1. С. 36–43.
5. Хуснутдинов А.Г. Способ обработки оптических деталей с асферическими поверхностями // А. с. № 650789. Бюлл. изобр. 1979. № 9. С. 65.
6. Агачев А.Р., Грушин В.В., Ларионов Н.П., Лукин А.В., Нюшкин А.А., Ходжиев Р.Р., Чугунов Ю.П. Автоматизированный обрабатывающий комплекс для изготовления прецизионных оптических деталей с асферическими поверхностями второго и высших порядков // Оптический журнал. 2007. Т. 74. № 3. С. 19–20.
7. Агачев А.Р., Ларионов Н.П., Лукин А.В., Миронова Т.А., Нюшкин А.А., Протасевич Д.В., Рафиков Р.А. Синтезированная голограммная оптика // Оптический журнал. 2002. Т. 69. № 12. С. 23–32.
8. Ларионов Н.П., Лукин А.В. Голографический контроль внеосевых асферических зеркал // Оптический журнал. 2010. Т. 77. № 8. С. 35–41.
“Оптический журнал”, 78, 4, 2011
15